CN2729876Y - 高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置 - Google Patents
高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN2729876Y CN2729876Y CN 200420079853 CN200420079853U CN2729876Y CN 2729876 Y CN2729876 Y CN 2729876Y CN 200420079853 CN200420079853 CN 200420079853 CN 200420079853 U CN200420079853 U CN 200420079853U CN 2729876 Y CN2729876 Y CN 2729876Y
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- iron core
- magnetic field
- energy storage
- ring
- radial magnetic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Abstract
高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置，涉及液氮温区分布式高温超导储能装置，该装置以上铁芯(1)下铁芯(2)为支架，在上铁芯(1)下铁芯(2)的中轴线上设有圆柱形中孔(3)，在圆柱形中孔(3)与上铁芯(1)下铁芯(2)的外壁之间设有环状矩形槽(6)，在环状矩形槽(6)中间设有超导线圈(5)，在超导线圈(5)与环状矩形槽(6)壁之间设有玻膜合金圈(4)，将上铁芯(1)下铁芯(2)的开口端吻合，即组成高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置。环状矩形槽(6)的四个直角的转角处为圆弧形转角(61)，在上铁芯(1)下铁芯(2)的上下垂直方向设有小孔(7)。
Description
技术领域
本实用新型涉及液氮温区分布式高温超导储能装置D-HT-SMES(Distributed High Temperature Superconducting Magnetic Energy Storage)的核心技术，D-HT-SMES主要用于电力系统和对电能质量要求较高的重要用户。
背景技术
目前，在越来越多的电力系统中，电压不稳定已成为系统正常运行的最大威胁。因电压崩溃出现大面积停电，不但社会影响严重，其经济损失也是巨大的。
电压崩溃的主要机理是“堵转多米诺效应”-CDE(Choke Domino Effect)[1]，CDE一旦发生，则很难控制。系统即将崩溃时，远方无功功率送不进来，当地并联电容之类的无功电源输出功率随电压成平方下降，使用电容的静止无功发生器(STATCOM)也不能充分发挥作用，最好的办法就是采用超导线圈STATCOM，实际上美国在解决西部电压稳定性方面的首选方案也是采用分布式低温SMES[2]。
清华大学曾经研制了一个20KJ的低温SMES[3]，投资和运行费用十分惊人。使用液氦的低温SMES在我国电力系统尚未投入实际应用的主要障碍是液氦的来源和价格问题，与美国相比，我国氦资源显得非常不足，在很大程度上依赖于进口，价格十分昂贵。
Bi系高温超导线已生产多年，由于价格高、临界电流密度(Jc)低，主要用于低温高场超导线圈的芯子。最近德国等国研制了不用液氦仅使用制冷机对流冷却的数百千焦的HT-SMES系统[4]。高温超导线毕竟能在液氮温度下运行，如何挖掘这一潜力，不用或部分使用制冷机，对于研制性价比适合我国电力系统的分布式超导储能系统具有重要意义。正在研制的YBCO/Ni高温超导线具有良好的性价比，我国拥有世界上90％的稀土元素Y，所以研制并不断完善仅使用液氮的HT-SMES系统比较适合我国国情。目前市场供应的BSCCO/Ag高温超导线，虽谓之高温，但在77K液氮温度下的临界电流密度其实较小，且随着磁场特别是垂直于超导带表面的磁场增加而迅速下降，很难形成实用的磁场储能，这也是困扰许多相关研究领域的难题。因此，液氮温区高温超导储能装置研制的核心技术是如何解决Bi系超导线临界电流密度小及Jc随磁场增大而迅速下降的问题，这个问题在超导线圈的端部显得更为突出，因这里的漏磁场最为集中且基本上垂直于超导带。
当本实用新型申请人用有限元法分析铁磁合金对超导线圈磁场分布的影响时，发现铁磁合金的作用很大，在某种程度上能牵着其“鼻子”走，如图1所示。这就联想到在超导线圈周围放置经过特殊设计的铁磁材料，人为地将漏磁场“引开”，从而解决上述问题。2003年以色列和东南大学几乎同时取得突破，研制成功仅使用液氮的HT-SMES系统[5][6]，研制工作各自独立进行，基本原理相同，但结构不完全一样。
参考文献：
[1]陆广香，许扬，胥传普，沈国荣，电压崩溃机理及其对策，已投中国电力。
[2]M.Ross etc.Using D-SMES Devices to Improve the Voltage Stability of aTransmission System，IEEE，2001
[3]Jiang Xiaohua，Chu Xu，Wu Xuezhi，et al.SMES System for Study on Utility and CustomerPower Applications.IEEE Trans.on Applied Superconductivity，2001，11(1)：1765-1768
[4]Ronald Kreutz etc.Design of a 150KJ High-Tc SMES(HSMES)for a 20KVA uninterruptiblepower supply system.IEEE Trans.On Applied Superconductivity V13，N2，June 2003
[5]A.Friedman etc.HTS-SMES operating at liquid nitrogen temperatures for electric powerquality improvement demonstrating.IEEE Trans.On Applied Superconductivity V13，N2，June2003
[6]陆广香，沈国荣，郑玉平，孙韬，单渊达，高温超导储能实验装置研究，电力系统自动化，2004年第11期。
发明内容
技术问题：本实用新型的目的是提供一种高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置，人为地将端部漏磁场引开，使线圈端部垂直于超导带表面的径向磁场分量大幅度下降，从而提高超导线圈的储能密度，使HT-SMES能够在电力系统得到实际应用。
技术方案：本实用新型的核心就是用高导磁材料(如硅钢)为超导线圈产生的磁场提供良好通路，使线圈端部漏磁场被吸引并约束在高导磁材料中，不经过线圈本身。这样可使线圈端部垂直于超导带表面的径向磁场分量大幅下降，从而提高超导线圈的储能密度。给超导线圈磁场提供良好通路的主要技术就是用玻膜合金和硅钢依次将超导线圈包围起来。
用有限元法对未采用径向磁场导引技术超导线圈内部磁场的Maxwell方程组进行数值计算的结果如图2所示。其中的两个矩形为BSCCO高温超导线圈的剖面，不难看出，尽管线圈中间的轴向磁场分量基本上平行于线圈的中轴，但在线圈端部磁场的径向分量很大，这对超导储能十分不利。
将超导线圈放在铁芯中的情况则大不相同，两个矩形仍为BSCCO高温超导线圈的剖面，包围超导线圈的矩形为铁芯的外围。可见结果相当理想，磁场全部被约束在铁芯中。既不会对磁体外围设备产生影响，也不对超导线圈产生任何影响。在这种理想情况下，超导线圈中没有一点径向磁场，甚至没有一点漏磁场。这正是液氮温区高温超导储能所希望的。
该装置以上铁芯下铁芯为支架，在上铁芯下铁芯的中轴线上设有圆柱形中孔，在圆柱形中孔与上铁芯下铁芯的外壁之间设有环状矩形槽，在环状矩形槽中间设有超导线圈，在超导线圈与环状矩形槽壁之间设有玻膜合金圈，将上铁芯下铁芯的开口端吻合，即组成高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置。环状矩形槽的四个直角转角处为圆弧形转角，在上铁芯下铁芯的上下垂直方向设有小孔。
高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置的径向磁场导引方法为：根据储能密度选择低矫顽力、高导磁率的磁性材料，再根据所要求的系统动态时间常数设计环绕主磁力线的闭合磁路，磁路的外围形状原则上与杜瓦(低温容器)相适应，但主磁场通路的几何形状应保证二阶导数连续；磁路内腔的主空间除了适应特定超导线圈的结构，使垂直于超导带平面的磁场减到最小，增加储能密度和对漏磁场进行一次引导外，在内腔还设置由玻膜合金组成的漏磁场二次引导磁路，以进一步减少漏磁场对超导线临界电流密度的影响，使线圈端部垂直于超导带表面的径向磁场分量大幅度下降，端部漏磁场被双重导磁材料引开。
有益效果：BSSCO/Ag高温超导线在液氮温区一直未能得到很好利用(仅有自场的高温超导电缆除外)。本发明虽不复杂，但却解决了长期困扰着高温超导应用研究的难题。
我们在设计之初也曾选择硅钢片，但我们要求硅钢片环绕超导线圈的形状为椭圆型，且保持二阶导数连续，这样就可获得较为理想的漏磁场导引特性。遗憾的是这种机械加工比较困难，加工成本非常高，重要的是根本达不到设计要求，用玻膜合金修补也不能彻底解决问题。
以色列的铁芯环绕超导线圈的形状为方形，用6个环形硅钢片块连接而成。即使加工精度非常高，也难免有空隙存在，加上主磁场通路不畅(方形)，所以必然存在较为显著的漏磁场。
采用硅钢片，最主要的目的是为了避免涡流，减小损耗，从而减少液氮使用量。对于以色列研究组所研制的装置而言，这是必需的，因为他们使用的超导线圈充放电装置是买来的通用型装置，不可避免地使超导线圈中流有谐波电流，使用硅钢片铁芯可以减少涡流损耗。专门设计的充放电装置在正常运行时流过超导线圈的谐波电流可忽略不计。
另外，我们提出的用整块圆柱形硅钢直接加工的方法不但加工容易、漏磁少，而且体积小，适合分布式高温超导无功补偿装置(D-HTS-STATCOM)这样的小型超导装置。
超导线圈采用澳大利亚生产的BSCOO超导线绕制而成，线圈平均直径20cm，共98匝。铁芯采用普通的硅钢加工而成。
在70K过冷液氮温度下的试验结果如下：
不加铁芯时，超导线圈电流增加到10.2A时线圈失超，在9A下测得线圈中心的轴向磁场为0.16T，线圈端部的径向磁场为0.14T。
将超导线圈放入图4所示的铁芯中后，超导线圈电流增加到31.5A时开始失超，在30A下测得线圈内部的轴向磁场为0.46T，而线圈端部的径向磁场分量约为0.08T。有铁芯时整个超导磁体所储存的磁场能量约为空心线圈所储存能量的20倍，这是小型高温超导储能实验装置的数据。
目前我们正扩大规模，研制100KVA分布式高温超导无功补偿装置(D-HTS-STATCOM)，其瞬间有功补偿能力为30KW。
附图说明
图1是铁磁合金对超导线圈磁场影响的示意图。
图2是未采用径向磁场导引技术高温超导线圈磁场分布图。
图3是采用径向磁场导引技术高温超导线圈磁场分布图。
图4是导引超导线圈端部径向分量磁场的铁芯结构剖面图。
图4中有：上铁芯1，下铁芯2，圆柱形中孔3，玻膜合金圈4，超导线圈5，环状矩形槽6，圆弧形转角61，小孔7。
具体实施方式
具体的技术方案如下：
首先对超导线圈内部的电磁场进行分析计算，根据储能密度选择具有高导磁率的磁性材料，设计一个沿着超导线圈主磁力线的闭合磁路系统。
上述闭合磁路系统由圆柱形硅钢块加工成对称的上铁芯1，下铁芯2两部分。结合面上有环状矩形槽6，用于放置超导线圈5。环形矩形槽的上铁芯1，下铁芯2两部分还均匀分布着供液氮循环的小孔7。圆柱形硅钢块的中间也有一个较大的圆柱形中孔3，以形成液氮的主通路。放置超导线圈的环状矩形槽的截面并不完全是矩形。主磁场通路既要保证与超导线圈的几何尺寸相配合，也要保证主磁场通路内壁几何形状光滑，即矩形槽截面几何曲线的导数连续，以减少磁阻，从而减少漏磁场。所谓的导数连续实际上是要求矩形槽截面形状为椭圆形，但纯粹的椭圆形又不能很好地贴近超导线圈，反而会使漏磁场增大。所以环形矩形槽截面的实际形状既不是纯粹矩形也不是椭圆形，而是将环状矩形槽的四个方形角加工成圆弧形转角6。
靠近线圈端部铁芯中的磁场强度最为集中，当通入超导线圈的电流增大时有可能在这附近产生少量漏磁场，而这里的漏磁场几乎完全垂直于超导带平面。因此，还需设置由玻膜合金构成的漏磁场二次引导磁路，以进一步减少漏磁场对超导线临界电流密度的影响。所谓二次引导磁路，就是用质地相对柔软的玻膜合金带衬在环形矩形槽的内壁。
图4为超导线圈铁芯结构示意图，分上下两部分，结构完全对称，超导线圈嵌在中间的环状矩形槽中。
Claims (3)
1、一种高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置，其特征在于该装置以上铁芯(1)下铁芯(2)为支架，在上铁芯(1)下铁芯(2)的中轴线上设有圆柱形中孔(3)，在圆柱形中孔(3)与上铁芯(1)下铁芯(2)的外壁之间设有环状矩形槽(6)，在环状矩形槽(6)中间设有超导线圈(5)，在超导线圈(5)与环状矩形槽(6)壁之间设有玻膜合金圈(4)，将上铁芯(1)下铁芯(2)的开口端吻合，即组成高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置。
2、根据权利要求1所述的高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置，其特征在于环状矩形槽(6)的四个直角的转角处为圆弧形转角(61)。
3、根据权利要求1或2所述的高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置，其特征在于在上铁芯(1)下铁芯(2)的上下垂直方向设有小孔(7)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200420079853 CN2729876Y (zh) | 2004-09-28 | 2004-09-28 | 高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200420079853 CN2729876Y (zh) | 2004-09-28 | 2004-09-28 | 高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN2729876Y true CN2729876Y (zh) | 2005-09-28 |
Family
ID=35048649
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 200420079853 Expired - Lifetime CN2729876Y (zh) | 2004-09-28 | 2004-09-28 | 高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN2729876Y (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111315054A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-06-19 | 中国科学院电工研究所 | 基于分裂式铁芯的多工件同时加热的超导感应加热装置 |
| CN111315055A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-06-19 | 中国科学院电工研究所 | 一种基于分裂式铁芯的混合磁路超导感应加热装置 |
-
2004
- 2004-09-28 CN CN 200420079853 patent/CN2729876Y/zh not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111315054A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-06-19 | 中国科学院电工研究所 | 基于分裂式铁芯的多工件同时加热的超导感应加热装置 |
| CN111315055A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-06-19 | 中国科学院电工研究所 | 一种基于分裂式铁芯的混合磁路超导感应加热装置 |
| CN111315054B (zh) * | 2020-02-17 | 2022-02-01 | 中国科学院电工研究所 | 基于分裂式铁芯的多工件同时加热的超导感应加热装置 |
| CN111315055B (zh) * | 2020-02-17 | 2022-02-01 | 中国科学院电工研究所 | 一种基于分裂式铁芯的混合磁路超导感应加热装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8362863B2 (en) | System and method for magnetization of rare-earth permanent magnets | |
| Volger et al. | A dynamo for generating a persistent current in a superconducting circuit | |
| US5289150A (en) | Method and apparatus for superconducting trapped-field energy storage and power stabilization | |
| Weinstein et al. | Permanent magnets composed of high temperature superconductors | |
| RU2403643C1 (ru) | Сверхпроводящий провод и способ его изготовления | |
| CN1270328C (zh) | 高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置及其方法 | |
| CN2729876Y (zh) | 高温超导储能线圈端部径向磁场导引装置 | |
| Martucciello et al. | Introduction to the focus on superconductivity for energy | |
| CN208262072U (zh) | 一种高温超导带材接头的焊接装置 | |
| CN110085367A (zh) | 一种磁场下高载流多芯Bi-2223超导带材的制备方法 | |
| JP2004193481A (ja) | 超電導マグネットおよびその製造方法と着磁方法 | |
| Wang et al. | Development of high magnetic field superconducting magnet technology and applications in China | |
| Hempstead et al. | Inductive behavior of superconducting magnets | |
| Zhang et al. | 3D mechanical design and stress analysis of 20 T common-coil dipole magnet for SppC | |
| Scanlan et al. | A new generation Nb3Sn wire, and the prospects for its use in particle accelerators | |
| CN204991328U (zh) | 主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置 | |
| CN206096231U (zh) | 高温超导带材临界电流特性的测量装置 | |
| CN204946696U (zh) | 一种波长可变的高温超导环形磁通泵 | |
| US3571922A (en) | Method of fabricating a strained superconductor magnet | |
| Xia et al. | Electro-magnetic design of a 3MJ YBCO magnet | |
| CN205609308U (zh) | 超导磁体线圈降温传导冷却装置 | |
| CN105761873B (zh) | 一种饱和铁芯型超导限流器以及杜瓦 | |
| CN110176339A (zh) | 调节超导眼型结构永磁体磁偏角的方法、系统及介质 | |
| Desportes | Superconducting magnets for accelerators, beam lines and detectors | |
| Yuferov et al. | High-gradient magnetic superconducting separator for feebly magnetic compounds |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Effective date of abandoning: 20040928 |
|
| C25 | Abandonment of patent right or utility model to avoid double patenting |